CN103114283A - 不锈钢着色液及着色方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不锈钢着色液，其特征在于所述着色液由植酸、硫酸连二硫酸钠和水组成；其中，植酸的终浓度范围是100-250克/升，硫酸的终浓度范围是150-500克/升，连二硫酸钠的终浓度范围是80-200克/升。本发明着色液中不含铬元素，在规模化生产方面无环境污染方面的限制，同时有利于生态环境的保护；着色膜的抗氧化性能、耐光性能优良，抗酸碱能力好，适合室内外及接触酸碱盐环境情形使用；此外所使用的原料成本低，原料易购，使用大规模的生产，同时生产的能耗低、重复性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种无铬无铅的环保型不锈钢的着色液及着色方法。
背景技术
不锈钢具有独特的强度、较高的耐磨性、优越的防腐性能及不易生锈等优良的特性。故广泛应用于化工行业、食品机械、机电行业、环保行业、家用电器行业及家庭装潢、精饰行业，给予人们以华丽高贵的感觉。不锈钢着色不仅赋予不锈钢制品各种颜色，增加产品的花色品种，而且提高产品耐磨性和耐腐蚀性。
由于不锈钢氧化膜表面的发射光线与通过表面氧化膜折射后的光干涉现象，而呈现出各种不同的颜色。表面氧化膜成分不同，则光线的折射率也不相同，就会显出不同颜色。如硫化镍（黑色）、氧化铁（红色）、二氧化锰（黑色）、硫化锰（肉色）、氧化铬（绿色），这些化合物的形成和金属材质元素含量有关，如SUS304不锈钢，主要含镍、铬及铁元素；而SUS201不锈钢主要含锰、铬、镍（0.5-2%）铁；SUS430不锈钢则主要含铬及铁及极小量钼；含量的不同，氧化膜层的颜色也不同。同时，即使表面氧化膜成分相同同，则光线的折射率相同，如果改变氧化膜的厚度，也会显出不同颜色。例如：
Ni+O2→NiO(草绿)；
6Fe+4O2→2Fe3O4(黑色)；
Mn+O2→MnO2(黑色)；
4Cr+3O2→2Cr2O3(绿色)。
不锈钢着色的研究，最早可追溯到1926年Hatfield W.H.和Green H.公开的第一个专利（GB19260019004），但真正应用于生产的工艺是1972年因科欧洲有限公司（Inco.Europe.Ltd）提出的“Inco”法，该工艺是将抛光后的不锈钢进入80-90℃的铬酐-硫酸混合液中，在不锈钢表面形成不同厚度氧化膜，由于光的干涉作用产生不同的颜色。这种方法及其衍生的方法也是应用最多的化学着色法。化学着色法包括酸性化学着色法和碱性化学着色法，但这两种方法都会对环境造成严重的污染，特别是酸性化学着色法，其采用含有浓度很高的六价铬的着色液，对操作工人和环境有很大的危害。清洁化环保化的生产才是一条可以持续发展的唯一道路。
不锈钢着色技术的另一种方法是真空离子镀，此方法，一般投资都比较大，能耗比较高；同时当完成了一种颜色后，要更换另一种颜色，就得彻底清洗真空炉，操作耗时长。此外，此方法实际上也是真空溅射性质，如果说产品和金属靶之间有“死角”，则不容易镀上，所以一些形状比较复杂的产品还是无法用此方法进行电镀，比如，镀产品内腔等。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种无铬无铅的环保型不锈钢着色液，使不锈钢表面得到香槟色和黑色色泽。
为了实现以上目的，本发明人进行多个正交实验，对着色液中的主要组分的浓度进行优化配置，得出所述着色液由植酸、硫酸、连二硫酸钠和水组成；其中，植酸的终浓度范围是100-250克/升，硫酸的终浓度范围是150-400克/升，连二硫酸钠的终浓度范围是80-200克/升。
作为以上技术方案的一种补充，优选地，所述植酸的终浓度范围是100-150克/升，硫酸的终浓度范围是250-400克/升，连二硫酸钠的终浓度范围是90-180克/升。
在本发明的着色液中，植酸，也称为“肌醇六磷酸”、“环己六醇磷酸酯”，由于其含比较多的羟基（-OH），所以其可以在强酸的条件下，和金属离子配合，形成配位化合物，从而在金属表面形成钝化膜层，从而阻止强酸对金属表面的腐蚀，有利于原子氧和金属离子形成有色氧化物；同时由于其和金属离子能够形成稳定的配位化合物，对溶液的pH值起到稳定作用，对着色的颜色的重现性有稳定作用。
硫酸，主要起氧化剂作用，提供原子氧及硫，也有对金属表面进行净化作用，以利于表面着色氧化膜的形成。浓度低时，不能形成厚的氧化膜，只能得到浅的色调；浓度太高，溶液粘稠度太高，金属离子移动受阻碍，表面得不到均匀颜色。
活性剂连二硫酸钠主要是促进植酸和硫酸在金属表面氧化还原反应的进行，促进原子氧的形成，加速氧化膜形成速度，从而在不锈钢表面得到均匀的香槟色及黑色。
为了获得良好的着色不锈钢，在各优选的着色液组分浓度范围内进行正交试验，可以优化出得到香槟色或黑色色泽的最优试验条件，因此，本发明的另一个目的是提供一种不锈钢着色的方法，其中，对不锈钢件着色之前，需要经过一系列的步骤进行处理。除油步骤是本领域技术人员所熟知的碱性除油或电解除油，其中碱性除油主要利用氢氧化钠、碳酸钠和磷酸钠的混合物，在40-65℃的温度下进行；其中电解除油采用例如，氢氧化钠、碳酸钠和硅酸钠的混合液，不锈钢件位于阴极，通入5A/dm2的电流进行。
化学抛光液可以是王水型、硫酸型、磷酸型、醋酸型、过氧化物型。优选地，本发明中采用更为环保的无铬酐电化学抛光，详见（冯绍斌，电镀清洁生产工艺[M]，北京：化学工业出版社，2005.）。
活化的目的在于为着色做准备，将氧化膜去掉以获得新鲜表面。活化的程度应恰当，若活化不足，着色的起色时间就会延长，活化过度，表面发生过腐蚀，使着色膜变得暗淡无光。
着色的成败与多种因素有关，例如，着色的时间、着色的温度以及着色液中各组分的浓度等。也是本专利解决的技术问题。
温度对着色的速度有很大影响，当低于70℃时表面基本无法上色，主要是提供原子氧的化学反应，无法进行，所以金属有色氧化物无法生成，所以得不到颜色；当温度高于90℃时，由于金属表面产生了轻微腐蚀，所以颜色的形成是部份被阻止了，所以溶液温度高于90℃时，不锈钢表面得到的色调是不均匀的；同时由于温度高，放氧反应快速进行，形成的氧化膜是粗糙无光的。
不锈钢着色的方法步骤包括：
a)除油、清洗：用金属去污剂除去不锈钢件表面的油，用70-90℃的热水清洗；
b)抛光：对不锈钢件进行机械抛光或电化学抛光；
c)除油、清洗：重复步骤a）；
d)活化、清洗：在5%-8%硫酸中，对阳极不锈钢件进行活化，之后用蒸馏水清洗不锈钢件；
e)着色：不锈钢件浸入80℃-90℃的上述着色液，通入空气搅拌，着色10-30分钟；
f)清洗、干燥：用蒸馏水清洗，室温下风干，即可得到成品。
更优选地，所述着色步骤中，将不锈钢件浸入75-85℃的着色液中。
作为以上技术方案的一种补充，优选地，所述着色步骤中，将不锈钢件浸入80℃的着色液，着色15-20分钟，可以得到黑色色调。
作为以上技术方案的一种补充，优选地，所述着色步骤中，将不锈钢件浸入80℃的着色液，着色10分钟，可以得到香槟色色调。
本发明的优点在于，着色液中不含铬、铅元素，在规模化生产方面无环境污染方面的限制，同时有利于生态环境的保护；着色膜的抗氧化性能、耐光性能优良，抗酸碱能力好，适合室内外及接触酸碱盐环境情形使用；本发明方法所用原料成本低，原料易购，使用大规模的生产，同时生产的能耗低、重复性好。
具体实施方式
下面通过实例对本发明进一步阐明，本发明并不限于所述实施例。以下各实施例中所使用的不锈钢件尺寸相同。
实施例1
将不锈钢件着浅香槟色色调，其步骤包括：
a)除油、清洗：用金属去污剂除去不锈钢件表面的油，用70℃的热水清洗；
b)抛光：对不锈钢件进行机械抛光或电化学抛光；
c)除油、清洗：重复步骤a）；
d)活化、清洗：在5%硫酸中，对阳极不锈钢件进行活化，之后用蒸馏水清洗不锈钢件；
e)着色：不锈钢件浸入75℃的着色液中，通入空气搅拌，着色10分钟，其中，该着色液由植酸（100克/升）、硫酸（150克/升）、连二硫酸钠（90克/升）和水组成；
f)清洗、干燥：用蒸馏水清洗，室温下风干，即可得到浅香槟色的成品。
实施例2
将不锈钢件着香槟色色调，其步骤包括：
a)除油、清洗：用金属去污剂除去不锈钢件表面的油，用75℃的热水清洗；
b)抛光：对不锈钢件进行机械抛光或电化学抛光；
c)除油、清洗：重复步骤a）；
d)活化、清洗：在7%硫酸中，对阳极不锈钢件进行活化，之后用蒸馏水清洗不锈钢件；
e)着色：不锈钢件浸入85℃的着色液中，通入空气搅拌，着色10分钟，其中，该着色液由植酸（120克/升）、硫酸（250克/升）、连二硫酸钠（120克/升）和水组成；
f)清洗、干燥：用蒸馏水清洗，室温下风干，即可得到香槟色的成品。
实施例3
将不锈钢件着香槟色色调，其步骤包括：
a)除油、清洗：用金属去污剂除去不锈钢件表面的油，用80℃的热水清洗；
b)抛光：对不锈钢件进行机械抛光或电化学抛光；
c)除油、清洗：重复步骤a）；
d)活化、清洗：在8%硫酸中，对阳极不锈钢件进行活化，之后用蒸馏水清洗不锈钢件；
e)着色：不锈钢件浸入80℃的着色液中，通入空气搅拌，着色10分钟，其中，该着色液由植酸（150克/升）、硫酸（350克/升）、连二硫酸钠（150克/升）和水组成；
f)清洗、干燥：用蒸馏水清洗，室温下风干，即可得到香槟色的成品。
实施例4
将不锈钢件着黑色色调，其步骤包括：
a)除油、清洗：用金属去污剂除去不锈钢件表面的油，用75℃的热水清洗；
b)抛光：对不锈钢件进行机械抛光或电化学抛光；
c)除油、清洗：重复步骤a）；
d)活化、清洗：在8%硫酸中，对阳极不锈钢件进行活化，之后用蒸馏水清洗不锈钢件；
e)着色：不锈钢件浸入80℃的着色液中，通入空气搅拌，着色20分钟，
其中，该着色液由植酸（250克/升）、硫酸（400克/升）、连二硫酸钠（200克/升）和水组成；
f)清洗、干燥：用蒸馏水清洗，室温下风干，即可得到黑色的成品。
为了研究着色液中各组分以及反应条件对着色颜色的影响，以下试验采用尺寸相同的不锈钢件，并且除所研究的试验条件（着色液成分、反应温度、反应时间等）外，其他试验条件与实施例1相同。
植酸
植酸含量对颜色的影响试验，得出以下结果：
| 序号 | 含量（g/l） | 颜色变化 |
| 1 | 50 | 浅香槟色 |
| 2 | 100 | 香槟色 |
| 3 | 120 | 香槟色 |
| 4 | 150 | 香槟色 |
| 5 | 250 | 黑色 |
从试验中可以看出，植酸浓度从100克/升到250克/升可以得出所需的色调。
1.硫酸（比重1.84）
硫酸含量对颜色的影响试验，得出以下结果：
| 序号 | 含量（ml） | 颜色变化 |
| 1 | 50 | 浅香槟色 |
| 2 | 150 | 香槟色 |
| 3 | 250 | 深香槟色 |
| 4 | 350 | 深香槟色 |
| 5 | 400 | 黑色 |
| 6 | 500 | 彩虹色 |
从试验中可以看出，硫酸浓度从150ml/L到400ml/L可以得出所需的色调。
2.活性剂
活性剂连二硫酸钠含量对颜色的影响试验，得出以下结果：
| 序号 | 含量（g/l） | 颜色变化 |
| 1 | 80 | 不上色 |
| 2 | 90 | 浅香槟色 |
| 3 | 120 | 深香槟色 |
| 4 | 150 | 深香槟色 |
| 5 | 200 | 黑色 |
| 6 | 300 | 彩虹色 |
从试验中可以看出，活性剂连二硫酸钠浓度从90克/升到200克/升可以得出所需的色调。
3.温度的影响
温度变化对颜色的影响试验，得出以下结果：
| 序号 | 温度（℃） | 颜色变化 |
| 1 | 50 | 不上色 |
| 2 | 70 | 浅香槟色 |
| 3 | 80 | 香槟色 |
| 4 | 90 | 浅黑色 |
| 5 | 100 | 黑色 |
| 6 | 120 | 彩虹色 |
从试验中可以看出，温度控制在75-85℃可以得到重现性好、表面均匀的有色氧化膜，得出所需的色调。随着着色温度的升高，离子的扩散速度加快，从而加速着色的形成。温度过高，如90℃以上，会使水分蒸发，改变着色液各组分的浓度；温度过低，在70℃以下，会明显降低着色的形成。
4.氧化膜性能测试
对实施例1制造的着色不锈钢件进行耐腐蚀性（中性盐雾）、紫外光、耐酸耐碱测试，结果如下：
| 试验项目 | 试验方式 | 膜层变化 | 基体变化 |
| 耐腐蚀性 | 中性盐雾300小时 | 颜色无变化 | 无腐蚀点 |
| 耐光性 | 紫外线照射8小时 | 颜色无变化 | 无腐蚀点 |
| 耐酸试验 | 20%硝酸浸常温泡24小时 | 着色膜无变化 | 无腐蚀点 |
| 耐碱试验 | 30%烧碱常温浸泡24小时 | 膜无变化 | 无腐蚀点 |
由测试结果可以看出，此工艺得到的着色膜的抗氧化性能、耐光性能优良，抗酸碱能力好，适合室内外及接触酸碱盐环境情形使用。
此外，在着色步骤中，需要通入空气搅拌，这样可以进一步改善着色的均匀性。随着着色的进行而造成着色液温度和成分的变化，从而影响着色的均匀性，因此必须进行搅拌。
Claims (6)
1.一种不锈钢着色液，其特征在于，所述着色液由植酸、硫酸、连二硫酸钠和水组成；其中，植酸的终浓度范围是100-250克/升，硫酸的终浓度范围是150-400毫升/升，连二硫酸钠的终浓度范围是90-200克/升。
2.根据权利要求1所述的着色液，其特征在于，所述植酸的终浓度范围是100-150克/升，硫酸的终浓度范围是250-400毫升/升，连二硫酸钠的终浓度范围是90-180克/升。
3.一种不锈钢着色的方法，其步骤包括：
除油、清洗：用金属去污剂除去不锈钢件表面的油，用70-90℃的热水清洗；
抛光：对不锈钢件进行机械抛光或电化学抛光；
除油、清洗：重复步骤a）；
活化、清洗：在5%-8%硫酸中，对阳极不锈钢件进行活化，之后用蒸馏水清洗不锈钢件；
着色：不锈钢件浸入80-90℃的上述着色液，通入空气搅拌，着色10-30分钟；
清洗、干燥：用蒸馏水清洗，室温下风干，即可得到成品。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述着色步骤中，将不锈钢件浸入75-85℃的着色液中。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述着色步骤中，将不锈钢件浸入80℃的着色液，着色15-20分钟。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述着色步骤中，将不锈钢件浸入80℃的着色液，着色10分钟。
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